世界各地的啤酒狂熱愛(ài)好者都知道口味獨特且非常受歡迎的比利時(shí)啤酒商——Duvel Moortgat（督威）啤酒廠(chǎng)生產(chǎn)的啤酒，從金黃Ales啤酒到Trappist啤酒。然而，能夠生產(chǎn)這些口味獨特的啤酒，沒(méi)有資金的投入是不可能做到的。

    督威啤酒廠(chǎng)的生產(chǎn)工藝與其它啤酒廠(chǎng)的生產(chǎn)工藝不同，它采用了pH值控制技術(shù)，而其它廠(chǎng)家采用的是電導率測量技術(shù)。督威啤酒廠(chǎng)在采用pH計時(shí)也曾遇到過(guò)一些應用挑戰，下面將介紹督威啤酒廠(chǎng)是如何通過(guò)使用新的長(cháng)壽命pH傳感器來(lái)克服這些挑戰的。這種長(cháng)壽命pH傳感器在全球許多食品飲料行業(yè)都取得了成功的應用經(jīng)驗。

                              

    釀造工藝中的pH值控制

    在釀造工藝的多個(gè)環(huán)節，pH值測量都起著(zhù)非常重要的作用。在糊化過(guò)程，pH值影響酶的活性，決定淀粉轉化為可發(fā)酵糖的效率。在釀造罐，監測麥芽的pH值可以確定啤酒花的溶解性，進(jìn)而控制影響人的身體、味覺(jué)、以及影響啤酒透明度的各種因素。在灌裝工序，監測啤酒的pH值可以確保最終進(jìn)入消費市場(chǎng)的產(chǎn)品的質(zhì)量，即用于灌裝啤酒的容器不能含任何化學(xué)清洗成分。

    督威啤酒釀造工藝有多個(gè)pH值檢測點(diǎn)，這些測點(diǎn)的測量結果有助于操作人員確定工序是處于釀造階段，還是處于酸堿液在線(xiàn)清洗（CIP）階段、或者啤酒水沖洗階段。督威的釀造工藝：麥芽首先快速加熱至90C，并維持90 分鐘時(shí)間，在麥芽冷卻后，用啤酒水將麥芽送至發(fā)酵容器。通常，釀造工藝是以電導率作為臨界控制點(diǎn)，根據電導率值的變化，確定什么時(shí)候麥芽進(jìn)入下一個(gè)工序，是否需要大量的進(jìn)水。但是，要優(yōu)化工藝過(guò)程，就需要更加嚴格的控制參數，如果太多的水進(jìn)入發(fā)酵容器，則為了得到高品質(zhì)的啤酒，必將需要更多的加工工序。

    然而，作為督威品牌，麥芽的電導率值和沖洗水的電導率值沒(méi)有什么差別，但是，兩種溶液的pH值卻明顯不同。因此，采用pH值控制可以正確區分兩個(gè)工序，確保沒(méi)有大量的進(jìn)水，從而保證啤酒的質(zhì)量。在該應用中，由于pH傳感器要長(cháng)時(shí)間地暴露在熱的腐蝕性溶液里，所以pH傳感器的壽命縮短。這是因為如果pH傳感器長(cháng)時(shí)間受到強烈的熱沖擊，會(huì )導致傳感器的玻璃球膜破裂，進(jìn)而傳感器失效。此外，如果傳感器的參比電極液接面積較小，則參比電極容易被污物覆蓋，導致傳感器響應遲緩，測量偏差大。有些應用，如果溶液中含有硫化物，則這種溶液會(huì )導致參比電極嚴重損壞，進(jìn)而產(chǎn)生測量偏差。

    每3天壞一個(gè)傳感器

    督威啤酒廠(chǎng)在以往使用pH傳感器過(guò)程中，曾遇到一些問(wèn)題。最初，pH傳感器的使用壽命是2-4周，后來(lái)，由于工廠(chǎng)的產(chǎn)能提高，酸堿液在線(xiàn)清洗（CIP）的流速增加了33%。從此以后，pH傳感器的使用壽命只能維持2-3天，工藝人員不得不停止了pH測量，而改用電導率測量。這樣做，雖然消除了熱和腐蝕的影響，但是，由于麥芽的電導率和沖洗水的電導率差別太小，使得工藝無(wú)法準確區分兩個(gè)工序，不能保證督威啤酒的品牌質(zhì)量，所以，很快這一做法被放棄。督威啤酒廠(chǎng)的技術(shù)人員只好通過(guò)人工的方法，區分兩個(gè)工序，即派一名技術(shù)人員，監督由工藝管線(xiàn)流入現場(chǎng)玻璃杯中溶液的狀況，以此來(lái)區分兩個(gè)工序，并手動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)。正如評論員所說(shuō)：“技術(shù)人員非常不開(kāi)心”。

                 

    人工/手動(dòng)控制生產(chǎn)是不能維持的，督威啤酒廠(chǎng)的技術(shù)人員開(kāi)始尋找長(cháng)壽命的pH傳感器。艾默生的PERpH-X高性能pH傳感器是他們評估后選擇的一個(gè)產(chǎn)品。在開(kāi)始測試時(shí)，技術(shù)人員曾對PERpH-X的性能持懷疑態(tài)度，因為，此前他們測試了多個(gè)品牌傳感器，最長(cháng)的使用壽命不到一周！技術(shù)人員先安裝了一臺PERpH-X傳感器，之后他們驚喜地發(fā)現，不經(jīng)意中，該傳感器居然使用了3個(gè)多月！在它最終失效后，督威啤酒廠(chǎng)的技術(shù)人員與艾默生聯(lián)系，要求再更換1臺傳感器。這次更令他們驚奇的是，當艾默生技術(shù)人員給傳感器參比電極填充了電解液后，這臺傳感器又恢復了工作。只用了不到10分鐘的時(shí)間，一填充完電解液，pH控制回路又恢復至自動(dòng)控制狀態(tài)！

    無(wú)需再說(shuō)什么，督威啤酒廠(chǎng)已經(jīng)看到相當大的差異，從此以后，釀造工藝不再需要每隔3-7天換一個(gè)pH傳感器，極大地降低了設備運行成本，縮短了儀表安裝時(shí)間，更重要的是現在可以確保由測量參數精確控制工藝過(guò)程，節省了技術(shù)人員的寶貴時(shí)間，減少了技術(shù)人員的無(wú)效勞作。

    工作原理

    在測試前，督威啤酒廠(chǎng)的技術(shù)人員對所謂長(cháng)壽命傳感器持懷疑態(tài)度并不奇怪。過(guò)去這些年，盡管pH傳感器的設計在不斷改進(jìn)，但是近一個(gè)世紀，pH測量的基本原理沒(méi)有變。因為在絕大多數情況下，pH傳感器的性能是可靠的，只是在高溫或污濁的被測溶液中，pH傳感器的反應滯后，測量不可靠。

    pH傳感器采用特殊成分的、對pH值具有敏感特性的玻璃材料，當其與被測溶液接觸時(shí)，玻璃電極產(chǎn)生與被測溶液pH值成比例的電極電位（毫伏電壓信號）。市場(chǎng)上也有非玻璃材質(zhì)的pH傳感器，但是，在極端溫度，這種傳感器通常測量不準確，而且，如果用于酸堿液在線(xiàn)清洗工藝過(guò)程，其壽命縮短。與有些食品飲料行業(yè)不同，由于在整個(gè)啤酒釀造工藝中，有多個(gè)過(guò)濾步驟，所以，啤酒釀造要使用玻璃傳感器。

    pH值測量還取決于參比電極，參比電極的作用是在某一給定溫度下，維持恒定的參比電位。玻璃電極和參比電極共同構成pH測量電路，玻璃電極和參比電極的電位差（毫伏電壓信號）與被測溶液的pH值成比例。

    此外，pH值隨被測溶液的溫度不同而變化，極端溫度會(huì )加速電極的老化，導致電極頂部的填充液凍結或沸騰，從而使玻璃破裂。玻璃老化進(jìn)而使傳感器響應遲緩。

    通常，參比電極是銀-氯化銀電極，即在銀絲上鍍上一層氯化銀，然后懸吊在氯化鉀溶液中。要得到精確的pH值測量，氯化鉀填充液就必須不能被污染，同時(shí)，參比電極要通過(guò)被測溶液，與玻璃電極連接，形成測量電路。如果被測溶液粘稠或者含有一定濃度的離子，則上述兩個(gè)條件就很容易得不到滿(mǎn)足，從而在參比電極液體接界（電解液滲透膜）形成沉淀的覆著(zhù)物，毒化填充的電解液。

    長(cháng)壽命設計

    新的長(cháng)壽命傳感器設計沒(méi)有改變pH傳感器的基本測量原理，而是對每個(gè)易損壞的部件進(jìn)行了改進(jìn)?？蒲腥藛T首先在高溫工況下，研究pH敏感玻璃材料的老化機理。有趣的是他們發(fā)現：絕大多數老化出現在pH敏感玻璃的凝膠層，根據這一發(fā)現，科研人員離析、研制出耐高溫的凝膠層。這一研究成果使他們開(kāi)發(fā)出超常耐高溫（高達155C）的pH玻璃電極，將由于熱應力或撞擊產(chǎn)生的玻璃破損因素降到最低，并且，改善傳感器的響應速度。通常，這種長(cháng)壽命的傳感器在極端溫度工況下使用數個(gè)月后，還能保持精確地測量。此外，艾默生還增加了一些保護設計，如在玻璃電極下端球膜處，設計了一個(gè)帶槽的卡環(huán)，其作用是保護玻璃球膜免受過(guò)程流體（含顆粒物）的直接沖擊。以上對玻璃電極的設計改進(jìn)，使督威啤酒廠(chǎng)深刻感受到pH傳感器性能的變化。

    pH傳感器的絕大多數故障都是前面提到的、由于參比電極的電解液被污染、或參比電極的液體接界（電解液滲透膜）被堵塞所造成的。長(cháng)壽命傳感器的設計解決了這個(gè)問(wèn)題，該傳感器使用特殊設計的多孔Teflon液體接界，液體接界的表面積較大，孔隙率較高，從而保證參比電極與被測溶液具有良好的接觸，且抗堵塞能力強，即使傳感器用在比較污濁的液體，其也能保持穩定的參比信號。其次，參比電極的電解液是氯化鉀凝膠液，具有一定的化學(xué)粘滯阻力，可以抵抗由于溫度、壓力變化造成的參比路徑堵塞現象。此外，內參比電極的液體接界（電解液滲透膜）是陶瓷材質(zhì)，孔徑小，孔隙率低，所以抗中毒能力強，從而降低對主參比電極液體接界（電解液滲透膜）的損耗，延長(cháng)傳感器的整體壽命?？傊?，長(cháng)壽命pH傳感器設計綜合了參比電極液體接界的兩個(gè)特性，即高孔隙率液體接界的測量精度（高）和低孔隙率的液體接界的使用壽命（長(cháng)）。

                               

    為了進(jìn)一步延長(cháng)傳感器的使用壽命，在設計上還考慮了可以更換被堵塞的參比電極液體接界（電解液滲透膜），重新填充電解液，這樣能夠使絕大多數失效的傳感器得以再生。重要的是傳感器還配制了多種特殊的電解液，以便在一些特定應用中，能夠優(yōu)化傳感器的性能，如：抗生物膜電解液；抗油脂電解液；抗結垢電解液等。此外，傳感器的護套是抗化學(xué)腐蝕的、耐熱的Ryton和鈦材。

    督威啤酒廠(chǎng)勇于采用具有挑戰性的工藝設施，對pH值精確測量有絕對的需求，對于這樣的廠(chǎng)商，以上這些長(cháng)壽命pH傳感器的創(chuàng )新設計無(wú)疑是天賜之物。正如督威啤酒廠(chǎng)技術(shù)運維人員Jo Van Roy所說(shuō)：“pH計的測量從以前不確定的幾天延長(cháng)至現在的幾個(gè)月，且無(wú)需人員看管，這確實(shí)為督威啤酒廠(chǎng)的財政帶來(lái)了很大變化，其有助于我們確保獨特的督威啤酒的品質(zhì)和信譽(yù)。”